脱体涡模拟方法研究及其应用

基于现有的非定常雷诺平均N-S方程的求解方法,研究与发展了脱体涡模拟方法(DES)。在紊流附面层内用RANS方法,湍流模型采用S-A模型,在其他区域结合S-A模型运用Smagorinski的LES模型,并将S-A模型中的物面耗散项进行适当的改进,使得改进的模型既充当了RANS中的S-A紊流模型,又充当了Smagorinski大涡模拟模型。为验证所发展方法的有效性,将研究的DES方法应用到一些典型流场计算中,并与已有结果或实验结果进行比较。

DES方法对返回舱气动热环境数值模拟

脱体涡模拟方法(DES,Detached Eddy Simulation)由于结合了湍流模型(RNAS,Reynolds Averaged Navier-stokes)和大涡模拟(LES,Large Eddy Simulation)两者各自优势,是模拟非定常大分离流动的有效方法.采用基于SA(Spalart-Allmaras)湍流模型的DES方法,对高超声速返回舱外形进行数值模拟,计算所得的返回舱表面压力及热流分布与实验结果吻合,证实了DES方法的优越性.最后,在DES方法中加入可压缩修正,结果证实在高超声速流动中,可压缩修正方法在一定程度上能够提高原始模型的预测性能.

分区LES/DES混合方法及缝翼三维流场模拟

提出一种分区大涡/脱体涡模拟混合方法,采用高阶空间有限差分方法和二阶隐式LU-SGS时间推进方法,对有限展长缝翼的三维流场进行了数值计算。该混合方法吸收了脱体涡模拟方法和大涡模拟方法各自的优点,在非核心区域使用脱体涡方法进行计算,相对于大涡模拟方法具有较高的计算效率;相对于分区脱体涡模拟中采用的雷诺平均方法,在计算量没有明显增加的条件下提高了对流场各尺度流动的模拟能力。计算结果与风洞实验数据吻合良好,同时缝翼流场主要观测点的压力脉动数据为后续缝翼噪声分析和低噪声优化提供了基础。

涡结构对小颗粒在圆管背风面碰撞分布的影响

针对锅炉管背风面飞灰沉积过程,采用数值模拟的方法进行了研究.对绕柱气相湍流的模拟采用了较新的分离涡模拟方法（detached eddy simulation, DES）,通过对粒径为1～10 μm的颗粒在圆管背风面碰撞分布规律的计算发现背风面近壁区存在的主涡、二次涡和分离点附近小涡对颗粒在背风面的碰撞均有一定的影响.当速度较小时,随着粒径的增大,颗粒在背风面碰撞的质量逐渐增加,大颗粒在主涡和二次涡作用下均有较大的碰撞质量流量,而且二次涡的作用明显强于主涡;速度增加后,由背风面3种涡结构引起的颗粒碰撞量均有不同程度的减少,此时主涡的作用较强,而且二次涡引起的大颗粒碰撞量有明显减少.通过与实验测试结果进行对比检验,证明了数值模拟结果的准确性.

宽速域RANS-LES混合方法的发展及应用

传统的雷诺平均方法(RANS)已经不能满足大范围分离、激波振荡、压力脉动、动载荷等极端工况下的流动预测需求;大涡模拟(LES)、直接数值模拟(DNS)等方法资源耗费多、效率低,离工程湍流问题仍较为遥远。RANSLES混合方法结合了RANS高效率和LES高精度的特点,近期有望大规模应用到工程湍流问题中。首先对现有的RANS-LES混合方法进行了归类,对各自的构造思想、特点进行了分析。然后报告了脱体涡模拟(DES)类方法的发展历程和现状,讨论了使用DES类方法计算分离流动时,对流项离散格式对分离特性、小尺度结构及频谱特性等的影响,并构造了自适应耗散函数。最后介绍了近年来国内外RANS-LES混合方法在宽马赫数范围(马赫数从0.1到20)内的机理研究和工程应用。现有的以DES类方法为代表的RANS-LES混合方法能够较为精细地模拟非定常大分离流动中的复杂现象,但在计算效率等方面还有较大的改进空间;植入式DES方法在模拟全机带部件流动上具有较高的效率和模拟精度,是重要的发展方向。RANS-LES混合方法在动态失速、燃烧、气动弹性、气动噪声、气动光学等与非定常流动密切相关的方面也有广阔的应用前景。

偏航状态下空腔流动的数值模拟

采用基于S-A(Spalart-Allmaras)湍流模型的脱体涡模拟方法(Detached-eddy simulation,DES),数值模拟研究了偏航状态下的空腔流动。首先,运用DES方法对非偏航状态下的空腔流动进行数值模拟,并和文献结果进行比较,验证该方法模拟空腔流动特性的能力;然后,运用DES方法数值研究偏航状态下的空腔流动,给出声压级的变化。数值研究表明:不同偏航角对空腔底部中心线处声压级产生很大的影响;与非偏航状态相比,在空腔底面中心线的某些位置处,给出了声压级随偏航角的变化规律为:声压级先是随着偏航角增加而缓慢增加,然后大大减小。

基于卡门尺度和滤波方法的SST方程改进

基于滤波方法和卡门尺度对原始剪切应力输运(shear stress transport,SST)湍流模型进行了改进,提出了一种卡门尺度修正的滤波SST方法.湍流多尺度效应必须在分离流场模拟中给予反映,该方法减弱了雷诺平均(Reynolds averaged Navier--Stokes,RANS)方法时间平均特性对于流场脉动量的压迫作用,在流场中引入了大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法的亚格子模型,形成一种新型的脱体涡模拟方法(detached eddy simulation,DES)方法;同时,为了降低原始DES方法在网格加密过程中产生网格诱发的雷诺应力损耗,利用卡门尺度对滤波因子进行修正.平板边界层算例中,卡门尺度对于RANS方法的跟随性远远强于DES方法,在边界层内的速度型和RANS方法吻合很好,而DES方法在加密过程中速度型的鲁棒性较差,说明卡门尺度在有效地保护了边界层内使用RANS求解,降低速度型偏离对数率现象的产生;HGR-01翼型算例证明BY-SST方法可以有效的避免网格诱导分离现象的产生;证明BY-SST方法在分离流动中的精度高于DES方法.

改进DES法和SA模型的发动机喷流影响距离研究

为评估起飞飞机发动机喷流的影响范围及程度,分析后侧穿越方案可行性,在SA湍流模型基础上,结合脱体涡模拟(DES)方法,数值模拟后侧穿越方式下的起飞飞机发动机喷流影响距离;选取热喷状态下的高亚音速喷管模型进行数值模拟,对比模拟结果与文献参考值,验证该方法的正确性和有效性;在此基础上,结合B737-800机型发动机实际边界条件,数值模拟发动机喷流效应,得出B737-800机型发动机喷流的影响距离,并与飞机特性手册对比,验证其准确性。结果表明:用改进的DES方法结合SA模型数值模拟B737-800发动机,可得出喷流在速度44、22及16 m/s时的影响距离,DES方法可较好模拟发动机喷流效应。

一种新型的动态RANS/LES混合方法

为解决RANS/LES混合方法过渡依赖网格疏密的问题,使用熵函数fs作为交界面函数构造一种新型的动态RANS/LES混合方法。同时采用脱体涡模拟方法 (DES97),对平板边界层流动、超声速凹腔-压缩拐角流动以及超声速底部流动进行数值模拟,并与实验数据进行对比。结果表明,无论对于附体流动区域还是分离区域,fs都能够动态地指示出边界层的范围。构造的动态RANS/LES混合方法能够显著缓解DES97由于网格因素导致的雷诺应力模化不足的现象,同时保证分离区域涡结构的求解精度。另外,熵函数fs是从能量耗散的角度进行构造,并不依赖于特定的湍流变量,因此更具有普适性。

基于RANS/LES混合方法的三维L型弯管流场特性数值模拟

L型弯管是船用典型部件,可实现流体质量输运和热量交换等功能。由于弯曲段曲率的影响,其内部流动十分复杂。传统的雷诺平均方法(RANS)无法模拟弯曲段的复杂流动,而大涡模拟方法(LES)则计算量太大。为此,采用RANS/LES混合方法对经典L型弯管进行数值模拟研究,该方法在近壁面区域采用RANS方法,在湍流核心区采用LES方法,不仅可保持模拟精度,而且网格需求量较低更适用于工程应用。针对商软中的2类RANS/LES方法——脱体涡方法(IDDES)及应力混合涡模拟(SBES)方法,比较分析其在L型弯管内部流场仿真方面的优劣,并同时考虑流向曲率修正的影响。结果表明:SBES方法对弯管内二次流(迪恩涡)的预测能力优于IDDES方法,且曲率修正模型可进一步改善SBES方法的仿真结果。

部分平均Navier-Stokes方法模拟超声速斜面空腔流动

采用部分平均Navier-Stokes(PANS)方法对超声速斜面空腔流动进行了数值模拟研究,评估其对于超声速非定常湍流模拟的性能,并与雷诺平均N-S(RANS),脱体涡模拟(DES)的计算结果及实验数据进行对比.研究表明:模化湍动能比例全场可变的PANS方法预测的速度、壁面压力和摩擦力系数分布与DES的结果非常接近,都与实验值吻合得较好,优于RANS的计算结果;非定常雷诺平均N-S(URANS)计算的自由剪切层近乎为二维稳态的,而DES和PANS方法可以求解出更为丰富的流动结构;模化湍动能比例全场统一的PANS方法虽然可以求解出相比RANS更多尺度的流动结构,但在近壁区不能回归到RANS模型,预测的湍流边界层的速度型偏离对数律,后续的流动计算也偏离实验数据.

细长旋成体大迎角俯仰振荡的数值研究

为研究俯仰振荡对细长旋成体流场与气动特性的影响,利用雷诺平均方法与大涡模拟的混合方法相结合的脱体涡模拟方法对大迎角下细长旋成体俯仰运动进行了数值模拟研究。通过对背风面分离涡的强度和位置、细长体绕流形态、截面压强系数和侧向力系数的观察和分析,发现施加小振幅、特定频率的俯仰振荡对大迎角细长旋成体背风面流场有明显的控制能力,可以改变流场结构,使背风面非对称流场趋于对称。同时,研究了振荡参数对耦合作用的影响,发现振荡中振幅和频率的增加,加强了俯仰振荡对非对称涡的抑制作用。研究成果对充分利用非定常气动力具有指导意义。

超声速细长飞行器前置小翼展开过程的非定常特性

针对大长细比飞行器外形超声速大迎角条件下前置小翼展开过程引起的非定常问题,应用结构动网格技术和基于脱体涡模拟(DES)的非定常数值模拟技术进行了研究,获得了详细的小翼展开过程流场结构非定常变化特性,并分析了小翼展开引起的法向力、纵向压心系数等气动特性随展开角度的变化规律。研究结果表明:超声速大迎角条件下前置小翼展开过程对小翼附近区域以及尾舵区域产生了强烈的干扰影响。小翼完全展开后,压心前移4.1%,降低了飞行器静稳定性,法向力系数增加15.6%,提高了气动过载,对飞行器机动性能均产生有利影响。